Informazioni sulla conducibilità termica della grafite

La grafite è un materiale carbonioso di alto profilo nella scienza dei materiali, con proprietà uniche che svolgono un ruolo chiave in diversi settori. Le sue caratteristiche di conducibilità termica determinano la dissipazione del calore, la gestione termica e altre applicazioni. E fornisce un solido supporto allo sviluppo della scienza e della tecnologia moderna.

Struttura della grafite e base della conduttività termica

Struttura cristallina della grafite

La grafite ha una tipica struttura cristallina a strati e ogni strato è collegato da legami covalenti tra gli atomi di carbonio per formare una struttura a rete planare di esagoni regolari. Questo legame covalente in piano rende la forza di legame tra gli atomi di carbonio molto forte. Gli atomi sono disposti in modo stretto e regolare. Gli strati interagiscono tra loro attraverso forze di van der Waals più deboli. Questa forza debole rende relativamente facile lo scorrimento tra gli strati. Il forte legame covalente nello strato fornisce un canale efficiente per la conduzione del calore. Mentre la forza di van der Waals tra gli strati ostacola in una certa misura la conduzione del calore. La conducibilità termica della grafite mostra quindi un'evidente anisotropia.

Concetto di base della conduttività termica

La conducibilità termica, espressa in W/(m-K), si riferisce al calore che attraversa un'area verticale unitaria in un tempo unitario con un gradiente di temperatura unitario. Il suo significato fisico è quello di quantificare la capacità di un materiale di condurre il calore. Più alta è la conducibilità termica, più facile è per il materiale condurre il calore. Nelle applicazioni pratiche, la conducibilità termica è fondamentale per la selezione e la progettazione dei materiali. Ad esempio, nei sistemi di dissipazione del calore, che richiedono materiali con un'elevata conducibilità termica per trasferire rapidamente il calore.

Caratteristiche della conducibilità termica della grafite

Differenze di conducibilità termica in diverse direzioni

Nella grafite, la conduttività termica all'interno del piano (all'interno degli strati piani di atomi di carbonio) è molto più alta della conduttività termica tra i piani (tra gli strati). A temperatura ambiente, la conducibilità termica all'interno della superficie può raggiungere 1500-2000W /(m-K). Mentre la conduttività termica intersuperficiale è di soli 5-10W /(m-K). Questo perché gli atomi di carbonio all'interno dello strato sono collegati da forti legami covalenti. I fononi (i quanti di energia delle vibrazioni del reticolo) possono propagarsi in modo efficiente in questa struttura ordinata, trasportando rapidamente il calore. Tuttavia, a causa della debole forza di van der Waals tra gli strati, i fononi avranno una forte dispersione attraverso gli strati. Ciò ostacola notevolmente il trasferimento di calore e rende la conduttività termica intersuperficiale estremamente bassa. Questa conducibilità termica anisotropa rende necessario considerare pienamente la sua direzione nell'applicazione della grafite. Per ottenere le migliori proprietà di conduzione termica.

Confronto della conduttività termica con altri materiali

Dal confronto della tabella, si può notare che la conducibilità termica interna della grafite è di gran lunga superiore a quella di metalli comuni come l'alluminio e il rame. Ed è direttamente forzata dal diamante con una conducibilità termica molto elevata. Rispetto all'acciaio inossidabile, presenta vantaggi significativi, e anche se confrontata con l'argento, metallo ad alta conducibilità, non è inferiore. A fronte di esigenze di dissipazione del calore difficili, le sue caratteristiche anisotropiche possono condurre efficacemente il calore in una direzione specifica. È quindi un materiale altamente competitivo. Al contrario, per i materiali a bassa conducibilità termica, come ad esempio ceramicaLa grafite presenta tutti i vantaggi della gomma e delle materie plastiche. Ha un grande potenziale di applicazione nei settori della dissipazione del calore e della gestione termica.

Fattori che influenzano la conduttività termica della grafite

Difetto di cristallo

I difetti puntiformi (vacancies, atomi interstiziali) e i difetti lineari (dislocazioni) nella grafite influenzano in modo significativo la conduttività termica. I difetti puntiformi distruggono l'assetto atomico, aumentano la dispersione dei fononi, ostacolano la conduzione del calore, come le vacancies, la perdita di energia di propagazione dei fononi. Quando la densità di dislocazioni è elevata, la dispersione dei foni si intensifica e la conduttività termica diminuisce in modo significativo. La concentrazione di difetti è correlata negativamente alla conduttività termica.

Contenuto di impurità

Le impurità influenzano la conduttività termica della grafite. Le comuni impurità metalliche (ferro, nichel) e non metalliche (silicio, ossigeno) distruggono la struttura cristallina e interferiscono con la propagazione dei foni. A causa delle loro dimensioni atomiche e delle loro proprietà chimiche sono diverse da quelle della grafite. atomi di carbonio. La sua interazione con gli atomi di carbonio provoca una distorsione del reticolo, forma un centro di diffusione, accorcia il percorso libero medio dei foni e riduce la conduttività termica. Inoltre, controlla le impurità per ottimizzare la conduttività termica.

Variazione di temperatura

L'influenza della temperatura sulla conduttività termica è complessa. A bassa temperatura, l'energia dei fononi e il cammino libero medio aumentano e la conduttività termica aumenta con l'aumentare della temperatura. Quando la temperatura è troppo alta, l'interazione fonone-fonone viene potenziata e lo scattering si intensifica. Il percorso libero medio dei fononi si riduce e la conduttività termica diminuisce. La conduttività termica interna diminuisce lentamente ad alta temperatura, mentre la conduttività termica interfacciale è più sensibile alle variazioni di temperatura.

Applicazione della conducibilità termica della grafite

Chip elettronici

Con il continuo miglioramento dell'integrazione dei chip, il calore generato dai chip durante il funzionamento aumenta notevolmente. Grazie alla sua elevata conducibilità termica sul piano, è possibile utilizzare ampiamente la grafite nelle soluzioni di dissipazione del calore per i chip. Aggiungendo materiale di grafite tra il chip e il dispositivo di dissipazione del calore, il calore generato dal chip può essere trasmesso rapidamente all'esterno. Ciò riduce efficacemente la temperatura del chip, migliorandone le prestazioni e la stabilità. Inoltre, prolunga la vita utile del chip.

Dissipatore di calore in grafite

Il dissipatore di calore in grafite è una tipica applicazione che sfrutta le caratteristiche di conducibilità termica della grafite. È sottile, pieghevole e altamente conduttivo dal punto di vista termico. Inoltre, è possibile personalizzarlo per le diverse forme di dispositivi elettronici per adattarlo alla superficie dell'elemento riscaldante. Ad esempio, nei dispositivi mobili come smartphone e tablet, i dissipatori di calore in grafite possono diffondere rapidamente il calore generato dai componenti riscaldanti. Come i processori, all'intero alloggiamento del dispositivo. In questo modo si ottiene una dissipazione efficiente del calore e si garantisce che il dispositivo non subisca un calo delle prestazioni o un guasto dovuto al surriscaldamento durante l'uso a lungo termine.

Batterie agli ioni di litio

Nelle batterie agli ioni di litio, la gestione termica è fondamentale. In quanto componente importante del materiale dell'elettrodo della batteria, la conducibilità termica della grafite ha un effetto importante sulle prestazioni e sulla sicurezza della batteria. La elettrodo di grafite con un'elevata conduttività termica, aiuta a dissipare uniformemente il calore durante la carica e la scarica della batteria. Si evita così il surriscaldamento locale che porta all'attenuazione della capacità della batteria, alla riduzione della sua durata e persino a problemi di sicurezza. Allo stesso tempo, nella progettazione del pacco batteria, l'uso di materiali di gestione termica a base di grafite può migliorare efficacemente la stabilità termica complessiva del pacco batteria. Quindi, migliorare l'efficienza di carica e scarica e la durata della batteria.

Scambiatore di calore in grafite

Grazie all'eccellente conducibilità termica e all'elevata resistenza chimica, gli scambiatori di calore in grafite sono utilizzati principalmente nelle applicazioni industriali che richiedono il riscaldamento o il raffreddamento di fluidi altamente corrosivi. Sono spesso utilizzati nella lavorazione chimica, nella farmaceutica e nella produzione di sostanze chimiche come il cloro, i fluoruri e il biossido di titanio. Ad esempio, i prodotti chimici altamente corrosivi come acidi, alcali e cloruri sono trattati in processi come l'elettrolisi dei cloro-alcali, la produzione petrolchimica e la produzione di acido cloroacetico.

Settore aerospaziale

Nel settore aerospaziale, le apparecchiature devono funzionare in ambienti estremi, il che richiede proprietà termiche estremamente elevate dei materiali. È possibile utilizzare materiali in grafite nella produzione di sistemi di controllo termico per componenti aerospaziali. Grazie alla sua elevata resistenza specifica, alla bassa densità e all'eccellente conduttività termica. Ad esempio, è possibile utilizzare compositi di grafite nel vano delle apparecchiature elettroniche dei satelliti. Per condurre e dissipare il calore generato dalle apparecchiature. Garantendo il normale funzionamento delle apparecchiature nell'ambiente spaziale ad alte e basse temperature. Inoltre, è possibile utilizzarla anche per produrre il bordo d'attacco delle ali degli aerei e i componenti dei motori, ugello in grafite ecc. Assicura il normale funzionamento dei componenti chiave in ambienti ad alta temperatura e garantisce la sicurezza del volo.

Conclusioni

La struttura cristallina unica della grafite rende anisotropa la sua conducibilità termica, con evidenti vantaggi rispetto ad altri materiali. È possibile utilizzarla ampiamente in molti campi. Si prevede che l'ottimizzazione delle prestazioni attraverso il controllo dei fattori che la influenzano aiuterà altri scenari di gestione termica con il progredire della ricerca.